控制装置、位置控制系统、位置控制方法及记录媒体与流程

本发明涉及一种使用伺服电机(servomotor)及图像传感器的控制装置、位置控制系统、位置控制方法及记录媒体。

背景技术：

在工厂自动化(factoryautomation，fa)中，已实际应用使用伺服电机将工件等的预定位置(控制对象位置)调整到目标位置的各种技术(定位技术)。

此时，作为测量控制对象位置与目标位置的差(距离)的方法，有使用伺服电机的编码器值的方法、及使用利用图像传感器进行图像处理的方法等。

使用编码器值的方法通过将以规定周期获得的编码器值依次相加，而算出控制对象位置的移动距离。

使用图像处理的方法以包含控制对象位置和目标位置的方式进行拍摄，并对拍摄的图像进行分析，由此算出(测量)控制对象位置与目标位置的距离。

在进行图像处理的方法中，已认识到会因图像处理所耗的时间等而产生延迟，影响位置控制的精度。因此，专利文献1中使用卡尔曼滤波器(kalmanfilter)对通过图像处理所测量的距离进行校正。

[现有技术文献]

[专利文献]

[专利文献1]日本专利特开2015-213139号公报

技术实现要素：

[发明所要解决的问题]

但是，专利文献1所记载的方法不得不设定针对卡尔曼滤波器中的延迟的模型。因此，为了进行高精度的校正而需要高度的技术水平，高精度的校正并不容易。另外，若未适当地设定初始值则无法进行高精度的校正，另外即便能进行高精度的校正，在稳定地输出经校正的距离之前也需要时间。因此，不适于需要高速且高精度控制的fa。

另外，在仅使用编码器值来决定距离的情况下，能实现高速的定位控制。但是，预计通过有效运用由图像处理所得的测量距离而进一步提高定位精度。

因此，本发明的目的在于利用简单的构成及处理来实现高速且高精度的定位控制。

[解决问题的技术手段]

本发明的控制装置具备位置决定部及反馈控制部。位置决定部重复取得来自使控制对象物移动的驱动装置的与控制对象物有关的位置关联数据。位置决定部以较位置关联数据的取得间隔长的时间间隔，取得通过图像处理测量控制对象物与目标位置的位置关系所得的测量数据。位置决定部使用位置关联数据及测量数据，决定与控制对象位置对应的估算位置。反馈控制部使用由位置决定部所决定的估算位置，将使控制对象物调整到目标位置的控制数据输出至驱动装置。

所述构成中，位置决定部估算图像处理中所用的图像的拍摄时刻的位置关联数据。位置决定部使用拍摄时刻的位置关联数据、测量数据及与此测量数据相同时刻的位置关联数据，决定估算位置。

所述构成中，使用估算的拍摄时刻的位置关联数据，校正当前时刻的控制对象位置。

另外，所述控制装置中，位置决定部将同一时刻的测量数据与位置关联数据的相加值减去估算的拍摄时刻的位置关联数据，由此决定估算位置。

所述构成中，示出所述校正运算的具体一例。由此，估算位置是通过简单的运算而算出。

另外，所述控制装置中，位置决定部根据接近拍摄时刻的多个时刻的位置关联数据的内推插补值，估算拍摄时刻的位置关联数据。

所述构成中，示出所述校正运算的具体一例。由此，估算位置是通过更简单的运算而算出。

另外，所述控制装置中，位置决定部使用与拍摄有关的延迟时间及与位置关联数据的传输有关的延迟时间，算出内推插补值。

所述构成中，示出所述校正运算的更具体的一例。由此，控制对象位置是通过更简单的运算以良好精度算出。

[发明的效果]

根据本发明，能利用简单的构成及处理来实现高速且高精度的定位控制。

附图说明

图1为表示本发明的第一实施例的位置控制系统的构成的功能方块图。

图2(a)和图2(b)为表示本发明的第一实施例的位置控制系统的应用例的外观立体图。

图3为表示本发明的第一实施例的位置控制系统的控制装置的处理的流程图。

图4(a)为表示编码器值pvm及测量位置pvv的时间变化的图表，图4(b)是表示估算插补位置pv的时间变化的图表。

图5为表示拍摄时刻的编码器值的估算算出方法的流程图。

图6为表示拍摄时刻的编码器值的算出概念的图。

图7(a)为表示进行估算插补的情况(本申请构成)与不进行估算插补的情况(比较构成)下的目标位置与控制对象位置的距离的时间变化的图，图7(b)为表示不进行估算插补的情况下的测量距离的时间变化的图，图7(c)为表示进行估算插补的情况下的测量距离与估算插补距离(目标位置与控制对象位置的距离)的时间变化的图。

图8为表示本发明的第二实施例的位置控制系统的构成的功能方块图。

[符号的说明]

1、1a：位置控制系统；

10：控制器；

11：反馈控制部；

12：位置决定部；

20、20a：驱动器；

30、31、32：电机；

40、40a：图像传感器；

91：工作台；

92：工件；

93：拧紧机；

401、402：相机；

920：螺孔；

930：螺钉；

mv；操作量；

pv：估算插补位置；

pvm、pvms、pvm(n-k)、pvm(n-k+1)、pvm(n-k+2)、pvm(n-k+3)、pvm(n)、pvms(ni)：编码器值；

pvv、pvv(n)：测量位置；

s11～s21、s61～s63：步骤；

sp：目标位置；

tc：周期(控制周期)；

tc0：控制开始时间；

ted、tsd：传输延迟时间；

trp：拍摄触发；

tn、t(n-k)、t(n-k+1)、t(n-k+2)、t(n-k+3)：算出时刻；

ti、tv1、tvi：拍摄时刻；

tm：取得时刻；

δpvm：变化部分。

具体实施方式

参照图对本发明的第一实施例的位置控制技术进行说明。图1为表示本发明的第一实施例的位置控制系统的构成的功能方块图。此外图1中，实线的箭头表示由信号线等连接，虚线的箭头表示以非接触方式取得对象物的信息的构成。

如图1所示，位置控制系统1具备控制器10、驱动器20、电机30及图像传感器40。

控制器10例如为所谓可编程逻辑控制器(programmablelogiccontroller，plc)，进行各种fa控制。控制器10具备反馈控制部11及位置决定部12。

反馈控制部11使用目标位置sp及与控制对象位置对应的估算插补位置(对应于本发明的“估算位置”)pv，以目标位置sp与估算插补位置pv一致的方式执行比例-积分-微分(proportional-integral-derivative，pid)控制等运算。反馈控制部11通过进行此运算而算出操作量mv。反馈控制部11将操作量mv输出至驱动器20。

位置决定部12使用来自驱动器20的编码器值pvm及来自图像传感器40的测量位置pvv，算出与控制对象位置对应的估算插补位置pv，详细处理将于下文中描述。位置决定部12将估算插补位置pv输出至反馈控制部11。

所述反馈控制是以控制周期tc重复执行。即，反馈控制部11在每个控制周期tc中输出操作量mv。此外，所谓操作量mv，是指对驱动器20的指令位置、指令速度、指令转矩中的任一个。

驱动器20使用操作量mv进行电机30的动作控制。另外，驱动器20取得来自电机30的编码器值pvm，并输出至位置决定部12。此时，驱动器20以与控制周期tc相同的周期将编码器值pvm输出至位置决定部12。

电机30例如为伺服电机，接受来自驱动器20的动作控制而动作。通过电机30的动作，工作台91移动，控制对象位置移动。

驱动器20及电机30是依控制对象位置的移动方向数、即依位置控制的可动轴的个数而分别设置。

图像传感器40拍摄工作台91、更具体而言工作台91上的包含控制对象位置和目标位置sp的区域。此时，图像传感器40响应来自控制器10的拍摄触发trp而进行拍摄。控制器10以较控制周期tc长的时间间隔输出拍摄触发trp。即，图像传感器40以较控制周期tc长的时间间隔进行拍摄。

图像传感器40对拍摄的图像进行图像处理，算出控制对象位置相对于目标位置sp的测量位置(目标位置sp与控制对象位置的测量距离)pvv。图像传感器40将测量位置pvv输出至位置决定部12。

此种位置控制系统1例如被应用于图2(a)、图2(b)所示般的作业的自动化。图2(a)为表示本发明的第一实施例的位置控制系统的应用例的外观透视图，图2(b)为表示本发明的第一实施例的位置控制系统的应用例的平面图。图2(b)中省略拧紧机的记载。

如图2(a)、图2(b)所示，工件92中设有螺孔920。将工件92安装在工作台91的顶面上。工作台91为所谓xy平台，沿着与顶面平行的正交两轴而可动。在构成工作台91的两个可动平台的其中一个中固定着电机31的驱动轴，在另一个中固定着电机32的驱动轴。由此，通过使电机31及电机32驱动，工作台91在正交两轴方向上移动。因此，螺孔920的位置成为控制对象位置。

在工作台91的上方配置着拧紧机93。在拧紧机93的下端安装着螺钉930。通过省略图示的驱动部使拧紧机93在上下方向上移动。因此，拧紧机93下降而接触工作台91的位置成为目标位置sp。

在工作台91的外周配置着相机401及相机402。相机401及相机402为图像传感器40的构成要素的一部分。相机401及相机402是以螺钉930的前端和螺孔920成为拍摄范围内的方式配置。即，相机401及相机402是以控制对象位置和目标位置sp成为拍摄范围内的方式配置。相机401为主要拍摄由电机31的驱动所致的螺孔920的位置移动的传感器，相机402为主要拍摄由电机32的驱动所致的螺孔920的位置移动的传感器。为了实现所述拍摄，例如只要如图2(b)所示，使相机401的拍摄轴与电机31使工作台91移动的方向正交，使相机402的拍摄轴与电机32使工作台91移动的方向正交即可。此外，所述正交关系也可有误差。

相机401及相机402将拍摄的图像输出至图像处理部。图像处理部为图像传感器40的构成要素的一部分。图像处理部进行图像分析，算出螺钉930的前端与螺孔920的距离、即对应于所述控制对象位置与目标位置sp的距离的测量位置pvv。

此种构成的位置控制系统1中，控制器10的位置决定部12进行图3的流程图所示般的处理，由此算出估算插补位置pv。图3为表示本发明的第一实施例的位置控制系统的控制装置的处理的流程图。

位置决定部12将估算插补位置pv及编码器值pvm初始化(s11)。

从驱动器20开始输出编码器值pvm后，位置决定部12依次接受编码器值pvm的输入(s12)。

位置决定部12检测是否获得了来自图像传感器40的测量位置pvv(s13)。若为获得了测量位置pvv的时刻(s13：是)，则位置决定部12检测测量位置pvv是否为正常值(s14)。若测量位置pvv为正常值(s14：是)，则位置决定部12接受测量位置pvv的输入(s15)。

位置决定部12接受测量位置pvv的输入后，估算作为测量位置pvv的计算基础的拍摄时刻的编码器值pvms(s16)。此估算的具体方法将于下文中描述。此外，在相机401、相机402的曝光时间长的情况下，拍摄时刻例如是根据曝光开始时刻(相机的快门打开的时刻)与曝光结束时刻(相机的快门关闭的时刻)的中间时刻来设定。

位置决定部12使用同一时刻的测量位置pvv及编码器值pvm、以及作为所述测量位置pvv的计算基础的拍摄时刻的编码器值pvms，算出估算插补位置pv(s17)。具体而言，步骤s17中，位置决定部12使用以下的(式1)算出估算插补位置pv。

pv＝pvv+(pvm-pvms)-(式1)

位置决定部12算出估算插补位置pv后，将此估算插补位置pv输出至反馈控制部11(s18)。另外，位置决定部12将所述估算插补位置pv作为参照估算插补位置pvp，将此时刻的编码器值pvm作为参照编码器值pvmp而更新存储。

若为未获得来自图像传感器40的测量位置pvv的时刻(s13：否)，则位置决定部12检测测量位置pvv的输出是否为1次以上(s20)。另外，若测量位置pvv并非正常值(s14：否)，则位置决定部12同样地检测测量位置pvv的输出是否为1次以上(s20)。

若测量位置pvv的输出为1次以上(s20：是)，则位置决定部12使用编码器值pvm、参照估算插补位置pvp及参照编码器值pvmp，算出估算插补位置pv(s21)。具体而言，步骤s21中，位置决定部12使用以下的(式2)算出估算插补位置pv。

pv＝pvp+pvm-pvmp-(式2)

若测量位置pvv的输出1次也不存在(s20：否)，则位置决定部12将估算插补位置pv维持初始值。

每一次输入编码器值pvm后，位置决定部12执行所述处理，若控制未结束(s19：否)，则回到步骤s12(接受新的编码器值pvm的输入)而继续进行处理。若控制结束(s19：是)，则位置决定部12结束处理。

通过执行此种处理，控制器10能在输入由图像处理所得的高精度的测量位置pvv的时刻，使用此高精度的测量位置pvv算出估算插补位置pv，实现高精度的定位控制。此处，输入测量位置pvv的时间间隔长。但是，在时间轴上相邻的测量位置pvv的输入时刻间，控制器10在输入周期短的编码器值pvm的每个输入时刻算出估算插补位置pv，进行位置控制。由此，能实现高精度且短周期的定位控制。而且，此时控制器10进行所述使用简单四则运算的处理，因此能利用简单的构成及处理实现高速且高精度的定位控制。

此时，控制器10通过进行所述处理，能如图4(a)所示般算出估算插补位置。因此，控制器10能使用由图像处理所得的测量位置pvv，高精度地算出估算插补位置pv。图4(a)为表示编码器值pvm及测量位置pvv的时间变化的图表，图4(b)为表示估算插补位置pv的时间变化的图表。

如图4(a)所示，与测量位置pvv对应的测量距离的算出需要图像传感器40的拍摄及图像处理的时间，因此更新周期长。所以，即便在估算插补位置pv的算出时刻tn获得了测量位置pvv，此测量位置pvv也是由较算出时刻tn靠前的拍摄时刻tv1拍摄的图像所得，高精度地算出了拍摄时刻tv1的控制对象位置。其中，tc0为控制开始时间。

从拍摄时刻tv1到算出时刻tn经过了时间(tn-tv1)，控制对象位置已移动。因此，此控制对象位置的移动部分必须校正。

此处，由于电机30的控制周期短，因此编码器值pvm是以较测量位置pvv的算出周期短的周期更新。利用这一情况，控制器10的位置决定部12进行(式1)所示的运算。具体而言，位置决定部12取得拍摄时刻tv1的编码器值pvms及算出时刻tn的编码器值pvm。位置决定部12对测量位置pvv加上时间(tn-tv1)部分的编码器值pvm的变化部分δpvm(pvm-pvms)，由此将算出时刻tn的估算插补位置pv算出。此时，估算插补位置pv在算出时刻tn变得不连续，此情况下，通过使用对估算插补位置pv的平滑处理(例如移动平均处理)等，能使估算插补位置pv的时间变化平稳，从而更优选。

通过使用所述处理，估算插补位置pv高精度地反映算出时刻tn的控制对象位置。因此，能进行高精度的定位控制。

进而，控制器10的位置决定部12使用下文所示的处理，算出拍摄时刻的编码器值pvms。图5为表示拍摄时刻的编码器值的估算算出方法的流程图。图6为表示拍摄时刻的编码器值的算出概念的图。

如图5所示，位置决定部12取得拍摄时刻(s61)。位置决定部12取得接近拍摄时刻的多个时刻的编码器值pvm(s62)。位置决定部12算出多个时刻的编码器值pvm的内推插补值，作为拍摄时刻的编码器值pvms(s63)。此外，在拍摄时刻与编码器值的算出时刻一致的情况下，只要直接使用此编码器值即可。

具体而言，位置决定部12使用图6所示的概念，算出拍摄时刻的编码器值pvms。算出时刻t以周期tc重复，周期tc对应于控制器10的控制周期。

位置决定部12在获得测量位置pvv并算出估算插补位置pv的算出时刻tn取得编码器值pvm(n)。位置决定部12取得较算出时刻tn靠前的拍摄时刻tvi。位置决定部12检测接近拍摄时刻tvi的两个时刻，例如在时间轴上隔着拍摄时刻tvi的以往的算出时刻t(n-k)与以往的算出时刻t(n-k+1)。

位置决定部12取得算出时刻t(n-k)的编码器值pvm(n-k)及算出时刻t(n-k+1)的编码器值pvm(n-k+1)。以往的编码器值能通过在控制器10中配备存储部而预先存储。

位置决定部12使用编码器值pvm(n-k)与编码器值pvm(n-k+1)的内推插补值，算出拍摄时刻tvi的编码器值pvms(ni)。

具体而言，位置决定部12使用以下的(式3)算出拍摄时刻tvi的编码器值pvms(ni)。

pvms(ni)＝pvm(n-k)+kk×(pvm(n-k+2)-pvm(n-k+1))-(式3)

此处，kk为内推插补系数。在将控制周期设为tc、编码器值pvm的传输延迟时间设为ted、拍摄触发trp的传输延迟时间设为tsd、在tc-ted≤tsd＜2tc-ted的情况下，内推插补系数kk是使用以下的(式4)而算出。

kk＝(tsd-(tc-ted)}/tc-(式4)

通过使用此种内推插补值的算出方法，能高精度地算出拍摄时刻tvi的编码器值pvms(ni)。由此，能算出更高精度的估算插补位置pv，从而能实现更高精度的定位控制。

图7(a)为表示进行估算插补的情况(本申请构成)与不进行估算插补的情况(比较构成)下的目标位置与控制对象位置的距离的时间变化的图。图7(b)为表示不进行估算插补的情况下的测量距离的时间变化的图。图7(c)为表示进行估算插补的情况下的测量距离与估算插补距离(目标位置与控制对象位置的距离)的时间变化的图。

如图7(a)所示，通过进行估算插补，能使目标位置与控制对象位置的距离位置控制高速化。另外，如图7(b)、图7(c)所示，通过进行估算插补控制，测量距离(对应于测量位置pvv)也高速地收敛，能实现向目标位置的高速且高精度的位置控制。其原因如下。测量位置pvv为更新周期长且滞后的位置信息，因此容易产生超调(overshoot)或振动，不太能增强反馈控制的增益。相对于此，通过使用估算插补位置pv，能增强反馈控制增益。

其次，参照图对本发明的第二实施例的位置控制技术进行说明。图8为表示本发明的第二实施例的位置控制系统的构成的功能方块图。

如图8所示，相对于第一实施例的位置控制系统1，第二实施例的位置控制系统1a中驱动器20a及图像传感器40a的处理不同。位置控制系统1a的其他处理与位置控制系统1相同，省略相同部分的说明。

控制器10、驱动器20a及图像传感器40a具有经同步的计时功能。

驱动器20a以独自决定的周期将编码器值pvm输出至位置决定部12。此时，驱动器20a将取得时刻tm与各编码器值pvm相关联而输出。

图像传感器40a以独自的时间间隔进行拍摄，将测量位置pvv及拍摄时刻ti输出至位置决定部12。

位置决定部12使用编码器值的取得时刻tm及拍摄时刻ti，进行与所述第一实施例相同的处理，由此算出估算插补位置pv。

即便是此种构成及处理，也能与第一实施例同样地利用简单的构成及处理来实现高速且高精度的定位控制。